초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
4차산업혁명의 핵심인 초연결 사회의 성공적인 구현을 위해선, 기존의 장 효과 트랜지스터 (FET)의 한계를 극복하는 새로운 레벨의 극한 정보 수송 및 저장소자의 개념이 필연적이다. 본 연구단은 기존의 전하와 스핀 기반 제어의 한계를 넘어서는 밸리트로닉스에 주목한다. 새로운 개념으로 밸리 자유도를 제어할 방법론을 확립하여, 격자, 스핀, 밸리의 상호작용을 통한 밸리 자화 도메인의 생성, 이동, 제어의 구현을 목표로 실제 소자화로 가는 응용 개념을 확립한다. 최종적으로 밸리트로닉스 기

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
4차산업혁명의 핵심인 초연결 사회의 성공적인 구현을 위해선, 기존의 장 효과 트랜지스터 (FET)의 한계를 극복하는 새로운 레벨의 극한 정보 수송 및 저장소자의 개념이 필연적이다. 본 연구단은 기존의 전하와 스핀 기반 제어의 한계를 넘어서는 밸리트로닉스에 주목한다. 새로운 개념으로 밸리 자유도를 제어할 방법론을 확립하여, 격자, 스핀, 밸리의 상호작용을 통한 밸리 자화 도메인의 생성, 이동, 제어의 구현을 목표로 실제 소자화로 가는 응용 개념을 확립한다. 최종적으로 밸리트로닉스 기반 초연결 미래소자 개발을 위한 방향성을 제시한다.

○ 전체 내용
첫 번째로, 밸리 자화 도메인의 개념 확립과 확장을 위하여 저에너지 소비를 통한 밸리 자유도의 활성화 방법을 탐색하고 밸리 자화 도메인의 제어에 따른 전류 특성 신호를 기반으로 하여 전기적 특성과 자기적 장점을 융합한 밸리트로닉스 소자의 디자인을 제안한다. 두 번째로, 밸리 자화 도메인의 광학적 물성과 동역학 특성을 이해하기 위하여 단층 2차원 물질에서의 광여기된 엑시톤 연구와 펨토초 펄스를 통한 밸리 운반자의 수명, 고조화파 생성 등 동역학적 특성 연구를 수행한다. 세 번째로, 밸리 자화 도메인의 전자기 물성을 연구한다. 이를 위하여 밸리 전자의 분광학적 특성을 보인 후보물질에 대해 터널링 주사 현미경을 통한 국소적 밸리 특성을 파악하여 공간 분조된 스트레인에 대한 도메인의 안정성과 효율을 연구하고 대면적 밸리 소자 가능성 등 고차원화된 기능성 소자로의 가능성도 선제적으로 연구한다. 최종적으로는 밸리 자화도메인의 생성, 이동, 제어와 동작에 따른 전기적, 광학적 특성을 규명하여, 초연결 미래소자로의 발전 및 응용 개념의 확장을 시도한다.

○ 1단계
□ 목표
밸리 자화 도메인의 가능성을 조사하기 위해서 밸리 자화 도메인의 개념의 확립과 물성에 관한 기초적 연구를 수행한다. 확립된 개념을 토대로 밸리 자화 도메인의 제어를 위한 실험적 방법론을 개발하고 이를 해석할 이론을 확립한다. 이론과 실험적 측면에서 밸리 자화 도메인의 단초가 마련되면, 본격적인 소자화를 위한 실험 연구를 수행한다.

□ 내용
단층 전이금속 칼코젠 화합물 등 2차원 기반 밸리트로닉스 후보물질에 스트레인을 인가하여 베리 곡률의 제어 특성을 규명한다. 제어된 베리 곡률로 부터 밸리 자기전기 효과를 통한 밸리 자화 도메인이라는 개념의 확립을 시도한다. 기초 물성 연구단층 밸리 소자 후보물질의 고수율 합성에 관한 연구, 활성화된 밸리 자유도 운반자의 동역학적 분석, 분광학적 특성과 엑시톤의 전기적 제어를 연구한다. 기초 연구 결과를 토대로 안정적인 밸리 운반자 공급 및 밸리 전류 생성과 밸리 전하 운반자의 초고속적 특성과 수명 향상에 대한 고도화된 연구 개발을 수행한다. 밸리 운반자 공급은 밸리 물질에 대한 스트레인 제어 기술과 광학적, 화학적 전하 운반자 주입의 실험적 기술 개발을 통하여 밸리 자화 도메인의 제어 개념까지 확립한다. 도메인의 제어 개념이 수행되면, 밸리자화 도메인의 소자 측정 및 평가 기술을 개발하고 밸리 전류의 효율을 극대화한 밸리 광전 소자 기술을 확보한다. 궁극적으로는 밸리 운반자 주입의 초고속 생성을 통한 고속도의 반응성을 가진 무손실 밸리 자화 및 전류 특성 소자를 개발하여 기존 전자공학의 특성과 스핀트로닉스를 통합한 미래형 융합 양자소자의 원천 기술과 개념을 확보하고자 한다.

○ 2단계
□ 목표
1단계에서 수행된 밸리 자화 도메인과 밸리 전류에 관한 기초 연구를 기반으로, 밸리트로닉스 소자 원천 기술 개발, 기술의 고도화와 규격화 및 안정화를 통한 응용 신기술 개발을 달성한다.

□ 내용
1단계 연구에서 밸리 자화 도메인과 밸리 전류의 융합형 소자의 가능성을 조사하였으므로, 이를 개발한 전자공학적 측면에서의 논리소자 뿐 아니라 기억 저장 소자로서의 자기적 메모리, 저에너지 스위칭 등의 다양한 소자에 대해 소자화 또는 소자화 진입 단계의 밸리트로닉스 기술을 달성하고자 한다.

□ 연구개발성과
밸리 소자와 밸리 자화 도메인의 실현을 위해서는, 아직 밝혀지지 않은 밸리 전자의 물리적, 화학적, 그리고 기계적 응답과 외부 섭동에 대한 응답에 관한 기초적 연구의 선행이 필수적이다.
첫 번째로, 밸리 소자의 광학적 특성에 관한 기반 연구로서, 이셀레늄화텅스텐에서의 합주파수공명, 페로브스카이트가 결합된 저차원 물질, p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 접합 구조에서의 광전특성, Floquet 상을 유도한 밸리-위상 제어에 관한 연구를 수행하였다. 1) 이차원 단층 육각 이중격자인 이셀레늄화 텅스텐 (WSe2)는 밸리트로닉스의 대표적인 물질이며, 반도체의 밴드구조를 가지고 있다. 두 파장이 결합된 빛으로 WSe2의 두 개의 광흡수 공명 밸리를 이중으로 공명시켜 고출력의 발광 특성을 나타내는 밸리 고유의 광 민감성 및 응용성을 확인하였다. 2) 고차원의 광기능성 밸리 응용 소자의 기반 연구를 수행하기 위해 패로브 스카이트 나노 막대와 결합된 2차원 그래핀 구조체에서 빛에 의해 여기된 그래핀의 광들뜸 전자의 페로브스카이트 나노 막대로의 초고속 전자 수송성을 실험과 이론적으로 규명하였다. 이는 향후, 밸리 전자의 안정성, 광 민감성, 광 주입 특성을 규명하기 위한 중요한 초석으로 판단된다. 3) 대표적인 밸리트로닉스 물질들로 이루어진 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 접합소자에서의 광전류 메핑방법을 통하여 p-n junction과 n-n junction사이에서 발생하는 광전류값과 정확한 위치를 관찰함으로써 체적화된 광전류 형성 메카니즘을 규명할 수 있음을 밝혔다. 4) 밸리트로닉스 응용소자로부터, 엑시톤의 전기적 제어 특성을 규명하였다. 밸리 분극의 생존성에 대한 심층적인 이해는, 엑시톤에 관한 연구가 필수적이다. WSe2로 구성된 양자우물 소자로부터 엑시톤의 전기적 제어 및 트리온 변화를 감지하였다. 이는 전기장을 통한 밸리 소자와 밸리 안정성 제어의 측면에서 엑시톤 광특성의 단초를 제공할 것이다.
5) 극초고속 동역학 측면에서의 밸리 전자의 변형과 주입, 제어의 개념을 확립하기 위하여 디락 반도체에서 Floquet 상을 유도한 밸리-위상의 제어에 관한 연구를 수행하였다. 밸리 홀 효과를 가진 밸리 물질이 위상학적 홀효과를 가지는 밸리로의 위상전이를 펨토초 펄스를 통하여 일으킬 수 있음을 확인하였다. 이는 밸리 운반자 주입을 넘어선 물질의 밴드 특성의 변화를 유도하였기 때문에 향후 극초고속 밸리소자 개발에 관한 핵심적인 가능성을 제공하였다.
두 번째로는, 밸리트로닉스 응용 소자에서 필요한 수송 특성에 대한 기반 연구를 수행하였다. 1) 이차원 밸리트로닉스 후보 물질인 ReS2에서, 백게이트 전압을 통하여 유도된 자유전자로부터 ReS2에서 양자간섭효과가 존재함을 증명하였다. 2) 자기적 제어에 관한 연구에서도 새로운 수송 특성을 확인하였다. 헥사 질화붕소와의 층상접합으로 인하여 분산된 그래핀의 밸리 분극들로부터 자기장에 대한 새로운 란다우 준위 특성 및 전하 수송 현상을 파악하였으며, 자기장을 통한 밸리 소자의 응용성에 관하여 새로운 방법론을 구현하였다. 3) 두 층 그래핀 간 뒤틀림 각도를 통한 Moire형태에서의 밸리 물질 가능성을 연구하였다. 4) MoS2-TiO2 이종 접합에서 밸리 전자의 운반자 특성을 통하여 바이오 독성 제거의 가능성을 확인하여 바이오 융합의 가능성을 제공하였으며 특히 전기 저장장치에 응용할 수 있음을 확인하였다. 5) Magic angle이 아닌 twisted bilayer graphene에서의 보즈-아인슈타인 응축을 확인하였으며, 밸리 운반자의 보즈-아인슈타인 상으로의 가능성을 마련할 수 있었다.
세 번째로, 제일원리 광 각도분해-시간분해의 이론적 방법을 통하여 고강도 레이져 펄스에 노출된 그래핀의 디락-밸리의 운동량의 이동을 확인하여, 밸리트로닉스 응용소자의 초고속 응답에 대한 가능성을 제시하였다.

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
밸리 자화 도메인과 밸리 응용소자에 관한 개념의 정립을 위한 다수의 기저 연구를 수행하였으며, 주요 저널들에 보고가 될 만큼 그 중요성을 인정받았다. 해당 연구결과들은 현재의 밸리트로닉스를 발전시키기 위한 필연적인 기초 연구들로서, 밸리자화 도메인의 연구를 위한 이론 정립, 성장법 및 분광학적 특성, 밸리 물성연구, 밸리 전하의 초고속 동역학 연구를 달성하였다. 이 기반 연구들을 활용하여 다양한 밸리트로닉스의 소자 응용성과 효율성을 더욱 선도적으로 정립하고, 초연결 미래소자로의 견인을 할 수 있을 것으로 판단한다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 1) 연구개발의 개요 ... 6
• 2. 연구개발과제의 수행 내용 및 과정 ... 8
• 1) 연구개발의 최종목표 및 성격 ... 8
• 2) 연차별 연구개발의 목표 및 내용 ... 8
• 3) 연도별 연구개발의 추진일정 ... 9
• 4) 연구개발의 추진전략 및 방법 ... 10
• 5) 연구개발의 추진체계 ... 11
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 12
• 1) 연구수행 결과 ... 12
• 2) 목표 달성 수준 ... 24
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 24
• 1) 목표 미달 원인(사유) 자체분석 내용 ... 24
• 2) 자체 보완활동 ... 25
• 3) 연구개발 과정의 성실성 ... 25
• 5. 연구개발성과 및 관련 분야에 대한 기여 ... 25
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 31
• 7. 향후 연구계획 ... 32
• 8. 참고문헌 ... 36
• 끝페이지 ... 36